Cad is léasair snáithín ann?
Tá snáithín optúil gearr le haghaidh snáithíní optúla agus is gnách é tonn-threoir sorcóireach le haghaidh tonnta solais. Úsáideann sé prionsabal an machnaimh iomlán chun tonnta solais a theorannú don chroílár agus iad a threorú i dtreo an ais snáithín. D'athraigh gloine Grianchloch an domhan a chur in ionad sreang copair.
Mar mheán chun tonnta solais a sheoladh, tá snáithín optúil in úsáid go forleathan ó 1966 nuair a thug Charles Kao isteach é, a bhuíochas dá chumas cumarsáide ard, díolúine ard-idirghabhála, caillteanas tarchurtha íseal, achar sealaíochta fada, rúndacht mhaith, inoiriúnaitheacht, méid beag, meáchan éadrom agus foinsí flúirseach amhábhar. Ar a dtugtar "athair na snáthoptaice", bronnadh an Duais Nobel san Fhisic ar Kao in 2009 as a chuid oibre. Le foirfeacht agus praiticiúlacht mhéadaithe na snáthoptaice, tá sé tar éis an tionscal teileachumarsáide a athbheochan agus tá sé tar éis cur in ionad sreang copair den chuid is mó mar chroí-chomhpháirt na cumarsáide nua-aimseartha.
Is córas cumarsáide é córas cumarsáide snáithíní optúla a úsáideann solas mar iompróir faisnéise agus snáithín optúil mar mheán treorach tonnta. Nuair a tharchuireann snáithín optúil faisnéis, déantar an comhartha leictreach a chlaochlú ina chomhartha optúil, a tharchuirtear ansin taobh istigh den snáithín. Mar theicneolaíocht cumarsáide atá ag teacht chun cinn, léirigh cumarsáid snáthoptaice barr feabhais ón tús agus tharraing aird mhór agus aird fhorleathan. Chuir úsáid fhorleathan snáithíní optúla i gcumarsáid freisin le forbairt tapa aimplitheoirí snáthoptaice agus léasair snáithíní ag an am céanna. Chomh maith le cumarsáid, úsáidtear córais snáthoptaice freisin i raon leathan feidhmeanna i míochaine, braite agus réimsí eile.
Snáithíní optúla
Is é meán gnóthachain léasair snáithín an snáithín gníomhach. Is féidir De réir a struchtúr a roinnt ina shnáithín aon-mhodh, snáithín dúbailte-cladadh agus snáithín criostail fótónach trí.
Is éard atá i snáithín optúil modh aon-mhód ná ciseal croí, cumhdach agus sciath, áit a bhfuil innéacs athraonta an chroí-ábhar n1, níos airde ná an t-innéacs athraonta ábhar cumhdaigh n2, nuair a bhíonn uillinn teagmhais an tsolais eachtra níos mó ná an pictiúr uillinn chriticiúil, an beam solais i gcroílár an astaithe iomláin, ionas gur féidir an snáithín a cheangal leis an iomadú solais sa chroí-bhíoma. Ní féidir le cumhdach istigh snáithíní aonmhód ról srianta a imirt le haghaidh solas caidéil ilmhód, agus tá oscailt uimhriúil an chroí íseal, mar sin ní féidir ach cúpláil solais caidéil aonmhód isteach sa chroí a úsáid chun aschur léasair a fháil. D'úsáid léasair snáithíní luath an snáithín aon-mhodh seo, rud a d'eascair éifeachtacht cúplála íseal agus léasair le cumhacht aschuir sa raon milliwatt.
Snáithíní dúbailte clúdaithe
D'fhonn na teorainneacha a bhaineann le gnáthshnáithíní aonmhód, aon-chumhdach ytterbium-dopáilte (Yb3 móide ) maidir le héifeachtúlacht chomhshó agus cumhacht aschuir a shárú, mhol Maurer (R. Maurer) an coincheap de shnáithíní atá clúdaithe faoi dhó ar dtús i 1974 . Ó shin i leith, ní go dtí 1988, nuair a mhol E. Snitzer agus daoine eile teicneolaíocht pumpála cumhdaigh [3], a forbraíodh léasair/aimplitheoirí snáithíní ardchumhachta Yb-dhópáilte go tapa.
Is snáithín optúil é snáithín clúdaithe dúbailte le struchtúr speisialta a chuireann ciseal cumhdach istigh leis an snáithín traidisiúnta, ar a bhfuil ciseal brataithe, ciseal cumhdach istigh, ciseal cumhdach seachtrach, agus croí snáithín dópáilte. Tá an teicneolaíocht caidéalaithe cumhdaigh bunaithe ar shnáithín clúdaithe dúbailte, arb é an croí atá ann ná go bhféadfar solas caidéil ilmhód a tharchur sa chumhdach istigh agus solas léasair a tharchur sa chroílár, rud a fhágann gur féidir feabhas mór a chur ar éifeachtacht chomhshó pumpála agus cumhacht aschuir an léasair snáithín. Is iad struchtúr an tsnáithín clúdaithe dúbailte, cruth an chumhdaigh istigh, agus an modh cúplála solais caidéil na heochracha don teicneolaíocht seo.
Tá croí an tsnáithín clúdaithe dúbailte comhdhéanta de dhé-ocsaíd sileacain (SiO2) dópáilte le heilimintí tearc-chré, arb é an meán léasair agus an cainéal tarchurtha den chomhartha léasair sa léasair snáithín é, a fhreagraíonn don tonnfhad oibre. Tá an méid trasnánach (deich n-uaire an trastomhas de chroílár traidisiúnta) agus oscailt uimhriúil an chumhdach istigh i bhfad níos mó ná an croí, agus tá an t-innéacs athraonta níos lú ná an croí, rud a chuireann srian le iomadú solais léasair go hiomlán laistigh den chroílár. Cruthaíonn sé seo treoshuíomh trasghearrthach mór trasghearrtha optúil uimhriúil idir an croí agus an clúdach seachtrach, rud a ligeann do chró uimhriúil mór, solas caidéalaithe ardchumhachta trasghearrtha agus il-mód a chúpláil isteach sa snáithín agus a theorannú don tarchur laistigh den chumhdach istigh gan idirleathadh, rud a éascaíonn cothabháil caidéalaithe optúla ardchumhachta. Tá an cumhdach seachtrach comhdhéanta d'ábhar polaiméire a bhfuil innéacs athraonta níos lú aige ná an cumhdach istigh; is ciseal cosanta é an ciseal is forimeallaí comhdhéanta d'ábhar orgánach. Déantar limistéar cúplála an tsnáithín clúdaithe dúbailte leis an solas pumpáilte a chinneadh de réir mhéid an chumhdaigh istigh, murab ionann agus snáithíní traidisiúnta aonmhód, a chinneann an croí amháin. Ar thaobh amháin, feabhsaíonn sé seo éifeachtúlacht cúplála cumhachta an léasair snáithíní daonna, rud a ligeann don solas caidéil dul tríd an gclúdach istigh arís agus arís eile chun hiain dópáilte a spreagadh le haghaidh astaithe léasair; ar an láimh eile, déantar cáilíocht an bhíoma aschuir a chinneadh de réir nádúr an chroí snáithín, agus ní scriosann tabhairt isteach an chumhdaigh istigh cáilíocht bhíoma an aschuir léasair snáithín.
Ar dtús, bhí an cumhdach istigh de shnáithíní clúdaithe dúbailte siméadrach sorcóireach agus réasúnta simplí a dhéanamh agus éasca a chúpláil le pigtail an dé-óid léasair caidéil (LD), ach mar thoradh ar a siméadracht foirfe bhí líon mór gathanna bíseach solais caidéil sa chlúdach istigh nár shroich an croí-réigiún riamh fiú tar éis go leor machnaimh a bheith ann, fiú go bhfuil an croí-snáithín níos faide fós, rud a fhágann go bhfuil solas níos faide fós ann. deacair éifeachtúlacht chomhshó a fheabhsú. Ar an ábhar seo, ní mór siméadracht sorcóireach an chumhdaigh istigh a bhriseadh.
Snáithíní criostail fótónacha
I ngnáthshnáithíní clúdaithe dúbailte, cinneann céimseata an chroí an chumhacht léasair aschuir. Cinneann an Cró uimhriúil cáilíocht bhíoma an léasair aschuir. Mar gheall ar theorainneacha na n-éifeachtaí neamhlíneacha, damáiste optúil agus meicníochtaí fisiceacha eile i snáithíní optúla, ní féidir le bealach amháin chun an croí-trastomhas a mhéadú freastal ar an éileamh ar oibriú modh aonair ag aschur ardchumhachta i snáithíní cumhdach dúbailte réimse mód mór. Soláthraíonn teacht chun cinn snáithíní speisialta, mar shampla snáithíní criostail fótónacha (PCF), réiteach teicniúil éifeachtach ar an dúshlán seo.
Thug E. Yablonovitch isteach coincheap na gcriostal fótónach den chéad uair i 19871 mar struchtúr tréimhsiúil le tairisigh tréleictreach éagsúla i gceann amháin, dhá nó trí thoise a ligeann don solas iomadú sa bhanna seolta fótónach agus a chuireann cosc ar sholas iomadú sa bhearna banna fótóinic (PBG). Is criostail fhótónacha déthoiseacha iad PCFanna, ar a dtugtar snáithíní microstructured nó snáithíní scagach freisin, agus i 1996 JC Knight et al. tháirgtear na chéad PCFanna le meicníocht threoraithe solais cosúil le meicníocht snáithíní traidisiúnta le frithchaitheamh inmheánach iomlán. Tar éis 2005, thosaigh dearadh agus ullmhú PCFanna réimse mód mór ag éagsúlú, le teacht chun cinn cruthanna éagsúla, lena n-áirítear PCFanna cainéil sceite, PCFanna slat-chruthach, PCFanna páirce móra agus PCFanna illárnacha. Leanadh ar aghaidh ag méadú dá réir sin ar réimse modh-réimse an tsnáithín.
I gcuma, tá PCFanna an-chosúil le snáithíní aonmhód traidisiúnta, ach go micreascópach taispeánann siad struchtúir choimpléascacha poll-eagar. Is iad na gnéithe struchtúracha seo a thugann buntáistí uathúla agus neamhmheaitseála do PCFanna thar shnáithíní traidisiúnta, mar shampla tarchur aonmhód saor ó scoite, achar réimse mód mór, scaipeadh tunable agus caillteanas íseal teorann, ar féidir leo go leor de na dúshláin a bhaineann le léasair thraidisiúnta a shárú. Mar shampla, is féidir le PCF oibriú aon-mhód a bhaint amach i réimse réimse mód mór, agus cáilíocht bhíoma á chinntiú, ag laghdú go mór an dlús cumhachta léasair sa snáithín, ag laghdú éifeachtaí neamhlíneacha sa snáithín agus ag méadú tairseach damáiste an tsnáithín; is féidir leis Cró uimhriúil mór a bhaint amach, rud a chiallaíonn gur féidir níos mó cúplála optúla caidéil agus aschur léasair cumhachta níos airde a bhaint amach. Mar thoradh air seo tá sé ina bhuaicphointe taighde nua i léasair snáithíní, ag imirt ról atá ag éirí níos tábhachtaí i gcur i bhfeidhm léasair snáithíní ardchumhachta.
An aireagán an léasair snáithín
Léasair snáithíní a thugtar ar léasair a úsáideann snáithíní optúla mar mheán gnóthachan léasair. Cosúil le cineálacha eile léasair, tá trí chuid ann: an meán gnóthachain, an fhoinse caidéil agus an cuas athshondach. úsáideann léasair snáithíní snáithín gníomhach le croí-dhópáilte le heilimintí tearc-chré mar mheán gnóthachain. Úsáidtear léasair leathsheoltóra go ginearálta mar fhoinse an chaidéil. Go ginearálta tá an cuas athshondach comhdhéanta de scátháin fhrithchaiteacha, dromchlaí deireadh snáithíní, scátháin fáinne snáithíní nó grátálacha snáithíní.
De réir saintréithe fearainn ama an léasair snáithín, is féidir é a roinnt ina léasair snáithín leanúnach agus léasair snáithín pulsed; de réir an struchtúir cuas athshondach, is féidir é a roinnt ina léasair snáithín cuas líneach, léasair snáithín aiseolais a dháileadh agus léasair snáithíní cuas fáinne; de réir an tsnáithín gnóthachain agus na modhanna caidéalaithe éagsúla, is féidir é a roinnt ina léasair snáithín cumhdach aonair (caidéalú croí-snáithín) agus léasair snáithín cumhdach dúbailte (caidéalú cumhdach).
Sa bhliain 1961, d'aimsigh Snitzer radaíocht léasair i dtonntreoraithe gloine neoidimiam (Nd). 1966, rinne Kao staidéar mionsonraithe ar na príomhchúiseanna a bhaineann le maolú solais i snáithíní optúla agus luaigh sé na príomhfhadhbanna teicniúla ar gá iad a réiteach chun snáithíní optúla a chur i bhfeidhm go praiticiúil sa chumarsáid. 1970, d'fhorbair Corning sna Stáit Aontaithe snáithíní optúla le caolú níos lú ná 20 dB/km, a leag an bonn d'fhorbairt an tionscail cumarsáide optúla agus optoelectronics. Leag sé seo an bonn d'fhorbairt na dtionscal cumarsáide optúla agus optoelectronics. Sna 1970í agus na 1980idí, chuir aibiú agus tráchtálú na teicneolaíochta léasair leathsheoltóra foinse caidéil iontaofa agus éagsúil ar fáil d'fhorbairt léasair snáithíní. Ag an am céanna, laghdaítear caillteanas tarchurtha snáthoptaice go leanúnach le forbairt modh taisce ceimiceach gaile. Tá léasair snáithíní ag forbairt go tapa freisin i dtreo an éagsúlú, le snáithíní dópáilte le héagsúlacht na n-eilimintí tearc-chré, mar shampla erbium (Er3 plus ), ytterbium (Yb3 plus ), neodimiam (Nd3 móide ), samarium (Sm 3 móide ), thulium (Tm3 móide ), holmium (Ho3 plus ), prasodium (Prasodium) móide 3), prasodium (Prasodium) móide ) agus mar sin de. Ag brath ar na hiain dópáilte, is féidir tonnfhaid éagsúla aschuir léasair a bhaint amach. Chun freastal ar riachtanais na n-iarratas éagsúla.
Gnéithe de léasair snáithíní ardchumhachta
Is iad seo a leanas na buntáistí a bhaineann le léasair snáithíní ardchumhachta.
(1) Dea-chaighdeán bhíoma. Déanann struchtúr waveguide an tsnáithín optúil sé éasca aschur mód trasnánach amháin a fháil, agus tá tionchar na bhfachtóirí seachtracha an-bheag, chun aschur léasair ard gile a bhaint amach.
(2) Ard-éifeachtúlacht. Léasair snáithín ag roghnú an tonnfhad astaíochta agus dópáilte eilimintí cré annamh saintréithe ionsú an léasair leathsheoltóra don fhoinse caidéil, is féidir leat a bhaint amach an-ard éifeachtacht chomhshó solais. Le haghaidh léasair snáithíní ardchumhachta dópáilte ytterbium, go ginearálta roghnaigh léasair leathsheoltóra 915nm nó 975nm, mar gheall ar struchtúr leibhéal fuinnimh simplí Yb3 móide , is lú an seans go dtarlóidh ionsú stáit corraithe agus pléasctha tiúchana, tá saol fluaraiseachta níos faide agus is féidir fuinneamh a stóráil go héifeachtach le haghaidh oibriú ardchumhachta. Tá éifeachtacht leictreastatach iomlán léasair snáithíní tráchtála chomh hard le 25 faoin gcéad, rud a chabhródh le laghdú costais, coigilt fuinnimh agus cosaint an chomhshaoil.
(3) Saintréithe diomailt teasa maith. Úsáidtear léasair snáithíní mar mheán gnóthachain léasair ag baint úsáide as snáithín dópáilte d'eilimint thanaí, tearc-chré le cóimheas achar dromchla an-mhór le toirt. Tá buntáiste nádúrtha ag thart ar 1000 uair an léasair bloc soladach, i dtéarmaí cumas diomailt teasa. Níl aon fhuaraithe speisialta an tsnáithín ag teastáil le haghaidh cásanna cumhachta íseal agus meánmhéide, agus úsáidtear fuarú uisce le haghaidh cásanna ardchumhachta, rud a sheachnaíonn go héifeachtach freisin díghrádú cáilíocht agus éifeachtúlacht bhíoma mar gheall ar éifeachtaí teirmeacha a fhaightear go coitianta i léasair soladach-stáit.
(4) Struchtúr dlúth, iontaofacht ard. Toisc go n-úsáideann an léasair snáithín snáithín beag agus solúbtha mar mheán gnóthachan léasair, cabhraíonn sé leis an toirt a chomhbhrú agus costais a shábháil. Úsáidtear foinse caidéil freisin i méid beag, léasair leathsheoltóra modúlach atá éasca le húsáid, tá táirgí tráchtála ar fáil go ginearálta le haschur pigtail, in éineacht le gríl Bragg snáithín agus feistí snáthoptaice eile, chomh fada agus a chomhleádh na feistí seo lena chéile chun snáithín iomlán a bhaint amach, is féidir le díolúine ó shuaitheadh comhshaoil, le cobhsaíocht ard, am cothabhála agus costais a shábháil.
Tá míbhuntáistí ag léasair snáithíní ardchumhachta freisin atá deacair a shárú: is é ceann amháin an leochaileacht d'éifeachtaí neamhlíneacha. Tá fad éifeachtach fada ag léasair snáithíní agus tairseach íseal d'éifeachtaí neamhlíneacha éagsúla mar gheall ar chéimseata a gcuid tonntreoraithe. Is féidir le roinnt éifeachtaí neamhlíneacha díobhálacha cosúil le scaipthe Raman corraithe (SRS), modhnú féin-chéim (SPM), etc. a bheith ina chúis le luaineachtaí céime agus aistriú fuinnimh ar an speictream, nó fiú damáiste don chóras léasair, rud a chuireann srian le forbairt léasair snáithíní ardchumhachta. Is é an dara ceann an éifeacht dhorchaigh fótóin. Leis an méadú ar an am caidéalaithe, d’fhéadfadh tiúchan ard dópála a bheith mar thoradh ar éifeacht dorchaithe fótóin d’éifeachtúlacht chomhshó cumhachta snáithíneach eilimint-dhópáilte cré annamh meath do-aisiompaithe monotonach, rud a chuireann srian le cobhsaíocht fhadtéarmach agus saol seirbhíse na léasair snáithíní ardchumhachta, rud atá soiléir go háirithe i léasair snáithíní ardchumhachta dopáilte ytterbium.
Le dul chun cinn léasair leathsheoltóra snáithín-chúpláilte ard-gile agus teicneolaíocht snáithíní dúbailte-cladaithe, tá forbairt suntasach tagtha ar chumhacht aschuir, éifeachtúlacht chomhshó optúil-go-optúil agus cáilíocht bhíoma léasair snáithíní ardchumhachta. I bpróiseáil thionsclaíoch, sheol airm fuinnimh faoi stiúir, teiliméadracht fadraoin, LIDAR agus iarratais eile ar tharraingt éileamh mór, chuig na Stáit Aontaithe Apache Photonics (IPG Photonics), Nufern (Nufern), Nlight (Nlight) agus an Ghearmáin Tong Express Group, go príomha aonaid taighde ar thonn leanúnach, taighde agus forbairt léasair snáithíní pulse tonn ard-chumhachta, línte táirge saibhir. Tá torthaí spreagúla tuairiscithe freisin ag roinnt aonad sa tSín, lena n-áirítear Ollscoil Tsinghua, Ollscoil Náisiúnta na Teicneolaíochta Cosanta, Institiúid Shanghai Optics agus Innealra Beachtais Acadamh Eolaíochtaí na Síne agus Ceathrú Institiúid Taighde Chorparáid Eolaíochta agus Tionscail Aerospace na Síne.
Teicneolaíocht feabhsaithe cumhachta léasair snáithín
Mar gheall ar na héifeachtaí neamhlíneacha sa léasair snáithín, éifeachtaí teirmeacha agus teorainneacha tairseach damáiste ábhar, tá cumhacht aschuir léasair snáithín aonair teoranta go pointe áirithe, agus de réir mar a mhéadaíonn an chumhacht, laghdaítear cáilíocht an bhíoma de réir a chéile, rud a éilíonn úsáid teicneolaíocht rialaithe modh agus dearadh struchtúr speisialta an tsnáithín nua chun cáilíocht an bhíoma a fheabhsú. Rinne Dawson (JW Dawson) et al anailís teoiriciúil ar an teorainn chumhachta aschurtha de shnáithín aonair agus ríomh siad gur féidir le snáithín amháin, i léasair snáithíní leathanbhanda, uaschumhacht a fháil de 36 kW in aice le teorainn díraonta aschuir léasair, agus i gcás léasair snáithíní caola líneála, is é 2 kW an chumhacht uasta. D'fhonn cumhacht aschuir an léasair snáithín agus an amplifier a fheabhsú tuilleadh, is modh éifeachtach é sintéis chumhachta léasair snáithíní iolracha trí theicneolaíocht sintéise comhleanúnach. Tá sé anois ina hotspot taighde idirnáisiúnta le blianta beaga anuas.
Baintear sintéis comhleanúnach amach trí rialú a dhéanamh ar chéim, ar mhinicíocht agus ar pholarú gach bhíoma léasair le comhsheasmhacht áirithe, ionas go gcomhlíonann sé an coinníoll comhleanúnachais agus go bhfaighidh sé aschur aonchineálach glasáilte céim, a fhéadfaidh buaic-déine i bhfad níos airde a fháil ná superposition neamh-chomhleanúnach simplí agus dea-chaighdeán bhíoma a chothabháil. Tá stair fhorbairt na teicneolaíochta sintéise comhleanúnach beagnach chomh fada le stair na léasair féin, agus baineann sé le cineálacha éagsúla léasair gáis, léasair ceimiceacha, léasair leathsheoltóra, léasair soladach-stáit, etc., áfach, mar gheall ar neamhaibíocht feistí éagsúla sna laethanta tosaigh, níor bhris na torthaí turgnamhacha a baineadh amach trí theicneolaíocht shintéise comhleanúnach trí chumhacht aschuir uasta an nasc aonair comhfhreagrach, ní raibh an éifeacht léasair an-soiléir ag an am sin. Ó na 1990idí ar aghaidh, tháinig forbairt tapa ar theicnící sintéise comhleanúnacha le teacht léasair snáithíní. Chomh maith leis na buntáistí uathúla a bhaineann le léasair snáithíní agus an gá atá le húsáid oirbheartaíochta de na céadta cileavata, bhí ról ríthábhachtach ag roinnt gléasanna (ie cúplóirí cón snáithíní, snáithíní illárnacha, modhnóirí céim le pigtails agus aistrithe minicíochta acousto-optúla, etc.) i rolladh amach tráchtála na cumarsáide snáthoptaice. Éascaíonn cúplóirí cón snáithíní agus snáithíní multicore rialú céime éighníomhach bunaithe ar chúpláil instealladh fuinnimh léasair agus cúpláil tonnta sciobtha, agus cuireann modhnóirí céim le pigtails agus aistrithe minicíochta acousto-optúla ar chumas rialú céime gníomhach le bandaleithead rialaithe megahertz, ar féidir a úsáid chun luaineachtaí céime a rialú ag coinníollacha ardchumhachta agus aschuir chéim-ghlas a bhaint amach. Tá roinnt scéimeanna sintéise comhleanúnacha sainiúla molta ag taighdeoirí.
Is teicníocht sintéise neamhchomhleanúnach é sintéis speictreach a úsáideann grátálacha díraonta amháin nó níos mó chun fo-bhíoma iolracha a dhíraonadh isteach sa chró céanna, rud a fhágann go mbíonn aschur cró amháin ag a bhfuil dea-chaighdeán léasa. Is féidir le sintéis speictreach léasair snáithíní úsáid iomlán a bhaint as bandaleithead gnóthachain leathan léasair snáithíní Yb-dhópáilte chun cumhacht aschuir teoranta léasair snáithín amháin a chúiteamh.
